金剛石工業(yè)應用領域有哪些？
2025-01-13 12:09:36
金剛石工業(yè)應用領域有哪些？
1．機械加工工業(yè)
金剛石磨具是磨削硬質合金的特效工具。最大的成功是利用樹脂結合劑金剛石砂輪刃磨硬質合金刀具，包括車刀、銑刀、拉刀、鉸刀、滾刀、鉆頭的刃磨，推動了刀具硬質合金化的發(fā)展。同時，還適用于磨削硬質合金量具、模具、夾具以及其他硬質合金工件。
刃磨硬質合金車刀時，每磨除1g金屬要消耗綠碳化硅磨料4~15g，而金剛石僅消耗2~4mg。金剛石砂輪磨削硬質合金比普通砂輪磨削比高1000倍，成本降低10％以上。金剛石砂輪刃磨硬質合金刀具，可以避免用碳化硅砂輪加工時容易產(chǎn)生的裂紋、鋸口等缺陷，加工出的刀具粗糙度和精度高，刀具壽命可延長50%~100%，而且可以省掉刃磨后的拋光工序，生產(chǎn)效率可提高數(shù)倍。
汽車制造工業(yè)中，用金剛石磨具取代普通磨具獲得了明顯的效果。用金剛石磨石珩磨汽車發(fā)動機汽缸時，一塊金剛石磨石相當于300塊碳化硅磨石；加工表面粗糙度（Ra）由0.8~0.4 μm 提高到0.2~0.1 μm，汽缸橢圓度和錐度從0.03 mm減少到0.015~0.02 mm。
金剛石磨具磨削合金工具鋼時，磨削比比普通砂輪提高10倍以上，成本下降10%，還避免了用普通砂輪加工容易引起的燒傷現(xiàn)象。
2．電子電器工業(yè)
硬而脆的貴重半導體材料，如硅、鍺、砷化鎵、磷化鎵等，欲制成小片狀的半導體器件，需要切割和研磨加工。使用鋼絲鋸切割效果不佳，切口損耗也大；激光切割尚未進入廣泛實用階段。目前，最合適的方法是用金剛石切割鋸片加工。用金剛石研磨膏拋光半導體材料，不僅效率高，而且可達到最高一級表面粗糙度0.006μm。
金剛石拉絲模可拉制電子電器工業(yè)用的超細金屬絲導線，精度可達到1~2μm，比硬質合金拉絲模壽命長200多倍。
電器工業(yè)上使用的夾布膠木和環(huán)氧樹脂纖維板等非均質絕緣材料，用金剛石薄片砂輪加工，廢品少、效率高、成本低，解決了用其他工具切割時存在的燒傷、表面粗糙度差、尺寸不準、廢品多、效率低等各種難題。
在加工硬脆的鐵氧體磁性材料以及高硬度的電絕緣陶瓷材料方面，金剛石工具同樣是最有效的工具。例如，可加工含剛玉35％的高壓電瓷（用SiC也很難加工的材料）。
3．光學玻璃和寶石加工業(yè)
以前利用碳化硅加工光學玻璃，效率低，勞動條件差?，F(xiàn)在已經(jīng)全部采用金剛石磨具加工，包括下料、套料、切割、銑磨、磨邊以及凸凹曲面的精磨，綜合生產(chǎn)效率提高數(shù)倍至數(shù)十倍。隨著金剛石成本的降低，除了光學和精密玻璃器件外，許多本來用普通磨料加工的一般性玻璃制品（如汽車窗玻璃等），現(xiàn)在也都用金剛石加工。
在加工寶石、瑪瑙、玉器等方面的應用，也具有類似的效果，金剛石工具是不可缺少的。
4．鉆探與開采工業(yè)
在石油、煤炭、冶金、地質勘探等鉆探和開采方面，廣泛使用金剛石鉆頭。由于其硬度高、耐用性好，不僅能鉆進最硬的巖層，而且起鉆次數(shù)少、鉆進快、井斜小、可小口徑鉆進、減輕勞動強度、節(jié)約鋼材，比用硬質合金鉆頭總成本反而降低。
5．建筑與建材工業(yè)
在大理石、花崗石、人造?；u、混凝土建筑材料的切割加工和磨削加工方面，廣泛使用金剛石工具，如大型圓鋸和排鋸、中等切邊鋸片、小規(guī)格的干（濕）切割片以及金剛石繩鋸等。此外，還有金剛石磨輥和磨邊輪，用于板材磨面和磨邊。
在石材開采、鋸切、磨光及現(xiàn)場施工全過程中，石材加工效率隨著這些新型金剛石工具的應用而成倍提高。
在涂附磨具方面，金剛石砂帶以尼龍為基體，金屬切除量比普通砂帶高出100倍。
6．金剛石作為功能材料的應用
（1）光學
人造金剛石可廣泛應用于激光光學元件，如CO2激光器、光束傳輸系統(tǒng)（像分束器和布魯斯特窗）、VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）及拉曼激光器的輸出耦合器和出射窗。
激光光學元件綜合運用人造金剛石的光學、熱學和力學性能，使CO2激光器實現(xiàn)最高功率，且不會因熱透鏡效應損失光束質量。由于人造金剛石極其堅硬，因此比較薄的窗口也可以抵抗一個標準大氣壓的壓力差，同時還能保持最低的吸收水平。人造金剛石的耐用性保證了其光學性質在極端條件下也能夠保持很長時間。
(2）聲學
具有復雜形狀的特定厚度CVD（化學氣相沉積）金剛石材料，用以生產(chǎn)具有優(yōu)異聲學特性的球頂形聲學元件，成為高性能揚聲器的一個組件。CVD金剛石擴音器可達到70kHz的頻率。英國寶華韋健公司（Bowers&Wilkins）將人造金剛石高音振動膜用于其旗艦800系列揚聲器產(chǎn)品中，從而締造出無與倫比的清澈、高保真音質。
(3）熱學
人造金剛石最早是作為熱沉材料應用在電信行業(yè)的敏感電子元件上的?，F(xiàn)已開發(fā)出聚晶／多晶金剛石和人造金剛石復合材料，并廣泛用于熱管理領域。Diafilm 200產(chǎn)品是全球首款熱導率超過2000 W/(m.K）的人造金剛石熱管理材料。這一新型高端CVD金剛石材料可滿足高級用戶在高功率及高功率密度設備方面對封裝熱管理的極端性能需求。
(4）輻射探測器
人造金剛石是輻射探測應用的想材料。滿足各種苛刻輻射探測應用的系列電子級CVD金剛石產(chǎn)品（包括單晶及多晶金剛石晶片），可用于高能物理、醫(yī)療放射劑量監(jiān)測、民用中子核輻射水平探測、國土安全以及地球物理勘探等領域。例如，元素六人造金剛石已經(jīng)被用作歐洲核子研究中心大型強子對撞機大型探測器CMS和ATLAS的重要組件，該對撞機的研究中新近發(fā)現(xiàn)了與希格斯玻色子一致的新粒子。
(5）傳感器
將人造金剛石的極端特性應用于特定市場的傳感器。這里說的"傳感器"是一種電化學傳感器，對金剛石電極材料進行硼摻雜以實現(xiàn)導電性，金剛石電極與流體接觸，并被用來測量流體中存在的化學雜質。
人造金剛石的所有極端特性，特別是它的硬度、耐磨性和化學惰性，都可以應用在傳感器上。與其他任何傳感器相比，人造金剛石的性能使其對水中更廣范圍的雜質更敏感。人造金剛石有望成為污染物探測器的首選，應用于各種環(huán)境中可能會危害健康的污染物探測。
(6）量子／磁力測定
在量子應用中，人造金剛石作為雜質或瑕疵的宿主，扮演固態(tài)原子陷阱的角色。這些雜質（如氮空位缺陷）的量子特性可被單獨操控，也可以相互影響，而且可通過這些雜質中所發(fā)出的光子讀取它們的量子信息。與其他材料相比，人造金剛石的優(yōu)勢在于其寄宿缺陷的量子特性可以在室溫下被操控和探測。在量子計算中，人造金剛石可以用作量子位元或量子位（類似于傳統(tǒng)計算機的1和0)，有望使量子計算機解決標準計算機無法解決的問題。
(7）半導體
金剛石可作為間接帶隙半導體材料，禁帶寬度約為5.5eV，熱導率高達2 200W/(m.K),室溫電子和空穴遷移率高達4 500 cm2/(V ·s)、3 800 cm2/(V.s)，遠高于第三代半導體材料GaN和SiC，因此金剛石被業(yè)界人士認為是終極半導體材料。但是金剛石半導體目前所面臨的困難仍有很多，例如，尺寸較大的高質量金剛石半導體材料制備困難，n型半導體摻雜問題，等等。但是隨著新技術、新方法的產(chǎn)生，金剛石器件的研發(fā)取得了一定的成功，所制備的金剛石器件性能也在不斷地提高，特別是在二極管和開關器件上取得了一定程度的發(fā)展。
(8）環(huán)保
摻硼金剛石（BDD）可以作為環(huán)保的新型電極材料。BDD膜電極在水溶液和非水溶液電解質中均有很寬的電位窗口，BDD膜電極在電化學反應中，電流密度高，具有極低的背景電流值和很好的化學惰性，表面不易鈍化，抗污染能力和抗中毒能力強，在高強度環(huán)境中顯示了較長的使用壽命。在水中以這種材料作為陽極對染料、農(nóng)藥、抗生素等多種難降解的有機污染物和大分子物質等都表現(xiàn)出了很好的去除效果，并且可以使用適配體來增強其特異性。BDD膜電極還在微量化合物成分檢測方面表現(xiàn)出極高的靈敏性和可重復性。
(9）生物醫(yī)學
金剛石，因其具有極好的耐磨性和化學穩(wěn)定性，良好的生物相容性，極高的硬度，可以作為手術用刀具，所產(chǎn)生的傷口較小，容易愈合，目前廣泛用于神經(jīng)外科、骨科、眼科等。此外，金剛石也可作為醫(yī)用植入物的涂層起到防止植入物釋放有害離子，提高植入物生物相容性的作用。
納米金剛石，因其物理化學穩(wěn)定性好、生物毒性低、表面官能團多，在生物醫(yī)藥領域也有廣泛的應用，包括載藥、標記、蛋白質分離、抗癌治療、殺菌等。例如，胺化納米金剛石用于癌細胞的標記，其對于細胞的毒性較小且發(fā)射出的熒光穩(wěn)定性較好；或使用納米金剛石與抗癌藥物結合，能提高靶向性，有效降低藥物的副作用。
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